Глава 3. Блок управления двигателями движения и поворота [1979 Хейзерман Д.

Блок управления двигателями движения и поворота (D/S)^*) осуществляет сопряжение между всеми логическими управляющими блоками и двигателями. Он преобразует выходные маломощные сигналы дискретной логики в усиленные сигналы, достаточно мощные для управления двумя выходными двигателями.

В этой главе описываются теория, конструкция, принцип действия и порядок проверки выходного блока D/S. После выполнения описанной здесь работы уже можно с помощью временной панели управления управлять передвижением Бастера по полу.

Блок D/S должен быть тщательно спроектирован и изготовлен, чтобы добиться наилучшего качества работы и максимальной надежности. Недоработки в этом пункте могут в дальнейшем вызвать большое количество трудностей и разочарований; кроме того, довольно трудно оценивать работу остальных частей системы, если этот блок плохо работает.

Принцип действия

На рис. 3.1 приведена упрощенная блок-схема выходного блока D/S. Входами являются задаваемые скорость движения, направление движения (вперед/назад) и два сигнала поворотов - вправо и влево. Выходами являются шестивольтовые сигналы, поступающие на двигатели. Разумеется, выходные напряжения и токи должны соответствовать конкретному типу двигателей.

Рис. 3.1. Упрощенная блок-схема управления двигателями

На протяжении этой главы сигнал скорости движения - просто +5 В. Поступление такого потенциала на вход схемы приводит к тому, что на двигатель подается полная мощность и он вращается с максимальной скоростью. Выключение этого сигнала останавливает двигатель. В гл. 4 описывается схема, выбирающая один из трех управляющих скоростью сигналов и заменяющая сигнал +5 В импульсными сигналами с амплитудой +5 В и различными скважностями.

В то время как сигнал скорости движения определяет скорость вращения двигателя (а также включает его и выключает), сигнал направления движения определяет направление вращения двигателя. Уровень +5 В на входе должен заставлять Бастера двигаться назад, а движение вперед задается нулевым потенциалом.

Двигатель поворота вращает передние колеса налево или направо в ответ на сигналы +5 В на входах M_L и M_R соответственно. При высоком потенциале на M_R и нулевом на M_L рулевой механизм поворачивается вправо. Противоположное состояние вызывает обратный поворот. Низкий потенциал на обоих входах останавливает вращение двигателя поворота. Одновременное появление высокого потенциала на обоих входах вызовет перегорание плавкого предохранителя в цепи питания двигателя поворота, так как в этом случае двигатель шунтируется контактами реле.

После завершения работы, описываемой в настоящей главе, можно пустить Бастера с максимальной скоростью вперед или назад, остановить его или повернуть механизм поворота на любой угол.

Выходной блок двигателя движения

На рис. 3.2 приведена принципиальная схема управления двигателем. По этой схеме и блок-схеме рис. 3.1 видно, что вся схема распадается на две основные части: усилитель сигнала скорости движения, состоящий из транзисторов Q1-Q5, и усилитель обмотки реле на транзисторах Q6-Q8.

При нулевом потенциале на входе усилителя реле оно обесточено, при этом его контакты коммутируют двигатель для вращения "вперед". Появление высокого потенциала на входе усилителя приводит к тому, что через обмотку реле начинает течь ток и двигатель коммутируется для вращения в обратном направлении.

Рис. 3.2. Принципиальная схема управления двигателем движения. Транзисторы Q1, Q3, Q6, Q8 - 2N697, Q4-SP811, Q2, Q7 - 2N404, Q5 - TIP3055 или эквивалентный; диоды D1, D4 должны выдерживать 1А, 100В; К1 - реле с двумя парами контактов, рассчитанное на 12В

Усилитель реле реверса - простой трёхкаскадный усилитель постоянного тока. Нулевой потенциал на базе транзистора Q6 держит его в закрытом состоянии; и пока Q6 закрыт, Q7 также удерживается в закрытом состоянии с помощью резистора R14. Вследствие этого закрыт и транзистор Q8, обмотка реле K1 обесточена.

При подаче потенциала +5 В на базу Q6 открываются все три транзистора усилителя. Высокий потенциал открывает Q6, ток этого транзистора открывает Q7, который в свою очередь открывает транзистор Q8, запитывающий обмотку реле К1.

Конденсатор С2 в цепи базы транзистора Q8 является ускоряющим. В момент подачи на вход усилителя высокого потенциала он увеличивает базовый ток транзистора Q8, сокращая тем самым время срабатывания. Диод D4 шунтирует экстратоки в момент выключения реле, в остальное время он включен в обратном направлении.

Усилитель реле является фактически неинвертирующим усилителем мощности, обладающим небольшим коэффициентом усиления по напряжению и большими коэффициентами усиления по току и мощности. Все компоненты схемы смонтированы на плате управления двигателями движения и поворота вместе с остальными усилителями блока (см. рис. 3.4).

Рис. 3.4.Вид печатной платы усилителей реле

Усилитель сигнала скорости движения удобно разбить на две основные части: предусилитель и выходной усилитель мощности. Предусилитель аналогичен описанному усилителю реле - он имеет небольшой коэффициент усиления по напряжению и большие - по току и мощности. Выходной усилитель мощности представляет собой два дополнительных каскада усилителя мощности. Транзисторы выходных каскадов смонтированы на радиаторе.

При нулевом входном сигнале транзистор Q1 находится ь закрытом состоянии; из-за отсутствия тока в цепи коллектора этого транзистора транзисторы Q2 и Q3 также закрыты. Аналогично транзистор Q4 удерживается в закрытом состоянии благодаря низкоомному сопротивлению, включенному между его эмиттером и базой. При этом закрыт и транзистор Q5 и ток через двигатель не идет.

Высокий потенциал +5 В на базе первого транзистора последовательно открывает все пять транзисторов усилителя, другими словами, Q5 подает питание на двигатель.

Двигатель будет вращаться в прямом направлении до тех пор, пока на входе усилителя реле не появится +5 В. В этот момент двигатель станет вращаться в обратном направлении.

Конденсатор С1 и диод D1 в усилителе сигнала скорости движения аналогичны С2 и D4 в усилителе реле реверса.

Предусилитель смонтирован на плате блока управления двигателями. Силовые транзисторы Q4 и Q5 установлены на отдельных радиаторах на передней стороне стойки печатных плат. Связанные с ними сопротивления и конденсаторы можно укрепить на плате размером 50 X 50 мм и расположить ее поблизости от радиаторов.

Реле реверса установлено на дюралевой пластине размером 100 X 150 мм, которая помещена в стойку.

Выходной блок двигателя поворота

Принципиальная схема выходного блока приведена на рис. 3.3. Из этой схемы и блок-схемы на рис. 3.1 видно, что вся схема распадается на две одинаковые части. Цепь поворота вправо состоит из трехкаскадного усилителя постоянного тока (Q9-Q11) и реле К2. Цепь левого поворота состоит из транзисторов Q12-Q14 и реле К3.

Рис. 3.3. Принципиальная схема управления двигателем поворота. Транзисторы Q9, Q11, Q12, Q14 - 2N697, Q10, Q13 - 2N404; диоды D2, D3 должны выдерживать 1А, 100В

Двигатель поворота работает, когда включено одно из двух реле. В этом случае на двигатель поступает постоянное напряжение с шины питания; полярность этого напряжения определяется тем, какое реле было замкнуто.

При включении, например, реле правого поворота К2 на двигатель поступает напряжение такой полярности, что двигатель вращает механизм поворота вправо. При включении реле левого поворота K3 двигатель поворачивает колеса влево. Одновременное включение обоих реле недопустимо, так как в этом случае цепь двигателя полностью закорачивается на землю.

Реле поворота управляются соответствующими усилителями. При сигнале MR на базе транзистора Q9, равном +5 В, Q9 полностью открывается. Это приводит к открыванию Q10 и Q11, причем последний включает реле K2. Схема усилителя идентична усилителю реле реверса, описанному выше; усилитель реле поворота влево имеет ту же схему.

Оба усилителя реле расположены на плате управления двигателями движения и поворота. Реле поворотов и диоды D2 и D3 установлены рядом с реле реверса на отдельной дюралевой плате в стойке.

Конструкция

Из конструктивных соображений блок управления двигателями естественным образом распадается на три части. Все компоненты трех усилителей реле и предусилителя скорости движения можно смонтировать на плате размером 100 X 150 мм. Куска дюралевой пластины таких же размеров достаточно для установки всех трех реле, а усилитель скорости движения собирается на радиаторах и небольших печатных платах, укрепленных на передней поверхности стойки печатных плат.

Плата усилителей реле

Примерный вид печатной платы усилителей реле приведен на рис. 3.4. На плате устанавливаются транзисторы Q1-Q3 и Q6-Q11 и связанные с ними резисторы и конденсаторы.

Номиналы резисторов и конденсаторов указаны на рис. 3.2 и 3.3. Мощность резисторов 0,5 Вт, точность 10%. Рабочие напряжения конденсаторов 15 В или больше.

У меня были транзисторы 2N697 (n-р-n) и 2N404 (р-n-р), которые я и использовал. Их можно заменить любыми соответствующими транзисторами средней мощности, способными работать в ключевом режиме.

Выходной усилитель скорости движения

Монтаж этого усилителя показан на рис. 3.5. Транзистор Q4 - типа р-n-р мощностью 10 Вт, например 2N155, a Q5 - 2N3055 типа n-р-n мощностью 40 Вт. Оба установлены на одинаковых радиаторах.

Рис. 3.5. Монтаж выходного усилителя двигателя движения

Резисторы и конденсаторы этого усилителя можно установить на печатной плате. Я закрепил их на пластинке размером 5 X 5 см, в которой предварительно были насверлены дырки.

Плата реле

Эта плата представляет собой лист дюраля размером 100 X 150 мм, так что ее можно вставить в одну из верхних позиций стойки. На ней закреплены три реле вместе с диодами (D2, D3 и D4), которые шунтируют экстратоки обмоток (см. схему монтажа на рис. 3.6).

Рис. 3.6. Плата для крепления реле

Реле должно быть рассчитано на 12 В и коммутируемый ток не менее 3 А. Реле с ножевыми выводами удобнее в обращении, но несколько дороже, чем с обычными выводами. Хорошо подходит реле типа Radio Shack 275-206, которое поступает в продажу вместе с установочной панелью.

Установка и наладка

Схему, по-видимому, легче проверять, когда она уже собрана. Вставьте плату усилителей реле в одну из нижних позиций стойки и соедините ее проводами с шиной питания двигателя движения, источника питания и земляной шиной.

Подготовьте переднюю сторону стойки к монтажу двух радиаторов и маленькой платы на стоечках. Соедините выход усилителя скорости движения с общей точкой резисторов R7 и R8 на маленькой плате. Так как силовая часть усилителя потребляет большие токи, целесообразно соединить ее с источником питания отдельными проводами.

Соедините мощные транзисторы и установленные на плате детали согласно схеме на рис. 3.2. После этого можно окончательно установить радиаторы.

Задвиньте в самую верхнюю позицию стойки плату, на которой укреплены реле, и соедините ее с источником питания + 12 В и мощными транзисторами. До проведения предварительной проверки не подключайте двигатели.

Дважды проверьте схему распайки по схемам на рис. 3.2 и 3.3.

Предварительная проверка

Включите питание, внимательно следя за реле. Ни одно из них не должно включиться (на это указывает характерный щелчок). Перед тем как пытаться управлять реле, стоит проверить следующие напряжения:

коллектор Q5-земля - 0 В (двигатель не подключен),

коллектор Q4 - эмиттер - напряжение питания двигателя,

Если одна из проверок дает неверное значение, проверьте распайку реле и связь с источником питания.

Если эти проверки прошли нормально, подсоедините вольтметр между коллектором Q4 и землей и соедините проводом вход предусилителя скорости движения с шиной +5 В. Если усилители работают нормально, показания вольтметра должны скачком измениться с 0 В до напряжения питания двигателя.

Теперь подайте сигнал +5В на вход усилителя реле реверса. Реле должно немедленно сработать, а при снятии сигнала со входа - отпустить.

Этим предварительная проверка схемы управления приводом движения исчерпывается. Какие-либо ошибки в схеме приведут к отклонениям в описанной последовательности проверок.

Теперь подайте +5 В на вход MR усилителя реле. Соответствующее реле (К2) должно сработать. Подача +5 В на вход усилителя реле левого поворота также должна привести к срабатыванию соответствующего реле. НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ ОБА РЕЛЕ ОДНОВРЕМЕННО!

Если схема работает должным образом, подсоедините двигатели движения и поворота к контактам реле в соответствии со схемами на рис. 3.2 и 3.3.

Подайте сигнал +5 В на вход усилителя скорости движения и обратите внимание на направление вращения колес: оно должно соответствовать движению Бастера вперед. Если колеса вращаются в обратную сторону, поменяйте местами провода, идущие к двигателю.

Чтобы вращать колеса в обратном направлении, подайте +5 В одновременно на входы усилителя скорости движения и усилителя реле реверса. Двигатель движения должен вращаться с полной скоростью всякий раз, когда на вход усилителя скорости подан сигнал. Если вам кажется, что двигатель вращается слишком медленно, проверьте распайку схем предусилителя и выходного усилителя.

Для проверки работы двигателя поворота на короткое время соедините вход M_R платы усилителей реле с шиной +5 В. Двигатель поворота должен развернуть колеса вправо, в противном случае поменяйте местами провода двигателя. Проверьте также канал поворота влево, подав +5 В на вход M_L платы усилителей реле.

Временная панель управления

После того как блок управления двигателями движения и поворота собран и проверен, Бастером уже можно управлять. Для построения системы Бастер I можно обойтись и без временной панели управления, которая описывается ниже, однако она позволяет уже сейчас воспользоваться результатами проведенной работы. В гл. 4 панель управления будет модифицирована, а в дальнейшем вообще будет исключена.

На рис. 3.7 приведена схема простой панели управления, которая соединяется с платой усилителей реле и источником питания с помощью 6-проводного кабеля. Входами этой панели являются +5 В и "земля" от источника питания, а выходами - 4 управляющих сигнала, которые поступают на входы платы усилителей реле.

Рис. 3.7. Временная панель управления: а - электрическая схема; б - расположение элементов на панели

С помощью переключателя S1 задается направление движения Бастера (вперед - назад). С помощью кнопок S2, S5 и S6 на входы усилителей реле подается высокий потенциал. Например, при нажатии кнопки S2 напряжение +5 В поступает на усилитель скорости движения и Бастер движется с полной скоростью. Тем самым управление движением осуществляется с помощью этой кнопки.

Кнопки S3 и S4 подают на систему управления сигналы правого и левого поворотов. Колеса разворачиваются все время, пока нажата одна из этих кнопок. НИКОГДА НЕ НАЖИМАЙТЕ ОДНОВРЕМЕННО КНОПКИ "ВПРАВО" и "ВЛЕВО"!

Сопротивления номиналом 4,7 кОм, подключенные между земляной шиной и входами усилителей, закорачивают их на землю при ненажатых кнопках.